eng
Содержание
Содержание
Предисловие .............................................................................................................. 10
Введение ........................................................................................................... 13
Перечень условных обозначений ............................................................................... 30
Глава 1. Современные космические аппараты ....................................................... 32
1.1.
Основные направления развития космической промышленности ......... 32
1.2.
Классификация современных космических аппаратов............................ 39
1.3.
Конструкции и устройство космических аппаратов ................................. 42
1.4.
Бортовые системы космических аппаратов .............................................. 50
1.4.1.
Классификация бортовых систем космических аппаратов............. 50
1.4.2.
Особенности проектирования бортовых информационно
управляющих систем с использованием микросхем
программируемой логики ................................................................. 57
1.5.
Космические аппараты дистанционного зондирования Земли ............... 61
1.5.1.
Космические аппараты ДЗЗ Российской Федерации
и Республики Беларусь ...................................................................... 62
1.5.2.
Космические аппараты ДЗЗ Украины .............................................. 77
1.5.3.
Космические аппараты ДЗЗ США.................................................... 77
1.5.4.
Космические аппараты ДЗЗ Франции.............................................. 79
1.5.5.
Космические аппараты ДЗЗ Японии ................................................ 80
1.5.6.
Космические аппараты ДЗЗ Индии .................................................. 81
1.5.7.
Космические аппараты ДЗЗ Китая ................................................... 82
1.5.8.
Космические аппараты ДЗЗ европейского космического
агентства ............................................................................................. 83
1.5.9.
Космические аппараты ДЗЗ других стран ........................................ 86
1.6.
Радиолокационные станции дистанционного зондирования Земли ...... 88
1.7.
Воздействие космической радиации на КА............................................. 100
1.8.
Микрометеоритное воздействие на КА ................................................... 102
1.9.
Проблема космического мусора на орбите Земли .................................. 104
1.10.
Применение микроэлектронных технологий для создания
миниатюрных реактивных двигателей космического назначения ...... 107
1.10.1.
Проблемы микроминиатюризации космических аппаратов ...... 107
1.10.2.
Миниатюрные реактивные двигатели горизонтальной
конструкции ................................................................................... 111
1.10.3.
Миниатюрные реактивные двигатели вертикальной
конструкции ................................................................................... 116
1.11.
Космические аппараты военного и специального назначения............ 120
1.11.1.
Система предупреждения о ракетном нападении ........................ 120
1.11.2.
Наземный эшелон СПРН .............................................................. 123
1.11.3.
Фазированные антенные решетки ................................................ 126
1.11.4.
Космический эшелон СПРН......................................................... 130
1.11.5.
Военно разведывательные спутники ............................................ 136
Литература к главе 1 ......................................................................................... 147
Глава 2. Отказы и аварии ракетоносителей и космических аппаратов ............... 150
2.1.
Проблемы безопасности ракетно космической техники ....................... 150
2.2.
Анализ причин отказов ракет носителей ................................................ 156
2.3.
Анализ отказов космических аппаратов .................................................. 159
2.4.
Анализ причин отказов изделий ракетно космической техники .......... 163
2.5.
Анализ тенденций изменения рисков аварий ракет носителей
за период с 2000 по 2009 г. ......................................................................... 166
2.6.
Анализ тенденций изменения рисков отказов КА за период с 2000
по 2009 г. ..................................................................................................... 172
2.7.
Анализ причин аварий РН и КА за период с 2000 по 2009 г. .................. 175
2.8.
Анализ отказов компьютерных систем и программных средств ............ 177
2.9.
Анализ отказов бортовых систем на международной космической
станции в 2000 е гг. .................................................................................... 179
2.10.
Методы обеспечения надежности бортовой аппаратуры
космических аппаратов длительного функционирования ................... 180
Литература к главе 2 ......................................................................................... 188
Глава 3. Микроэлектронная элементная база ракетно космической техники ....... 191
3.1.
Классификация современных микропроцессоров ................................. 191
3.2.
Процессоры для электронных систем управления иностранными
космическими аппаратами ....................................................................... 195
3.2.1.
Бортовые процессоры иностранных космических аппаратов ...... 195
3.2.2.
Фирма Aitech Defense Systems ......................................................... 200
3.2.3.
BAE Systems ...................................................................................... 202
3.2.4.
Honeywell .......................................................................................... 203
3.2.5.
Микропроцессоры с архитектурой SPARC .................................... 203
3.2.6.
Микропроцессоры компании Atmel ............................................... 204
3.2.7.
Aeroflex .............................................................................................. 205
3.3.
Отечественные микропроцессоры и микроконтроллеры....................... 206
3.3.1.
ОАО «Ангстрем» (г. Зеленоград) ...................................................... 207
3.3.2.
ОАО «НИИМЭ и Микрон» (г. Зеленоград) .................................... 208
3.3.3.
НИИСИ РАН (г. Москва) ................................................................ 212
3.3.4.
ФГУП «ФНПЦ НИИИС им. Ю.Е. Седакова» (г. Нижний
Новгород) ......................................................................................... 213
3.3.5.
ЗАО «Светлана Полупроводники» (г. Санкт Петербург) .............. 214
3.3.6.
ОАО «НИИЭТ» (г. Воронеж) ........................................................... 215
3.3.7.
ЗАО «ПКК Миландр» (г. Зеленоград) ............................................. 218
3.3.8.
ОАО НПЦ «ЭЛВИС» (г. Зеленоград) .............................................. 220
3.3.9.
ЗАО НТЦ «Модуль» (г. Москва) ...................................................... 223
3.3.10.
ЗАО «МЦСТ» (г. Москва) ............................................................... 225
3.3.11.
ОАО «НИИМА «Прогресс» (г. Москва) ........................................ 228
3.3.12.
ООО «Дизайн центр КМ211» (г. Зеленоград) ............................... 229
3.3.13.
ООО «НПП «Цифровые решения» (г. Москва) ............................ 231
3.3.14.
ОАО «Мультиклет» (г. Екатеринбург) ........................................... 232
3.3.15.
НИИ МВС ЮФУ (г. Таганрог) ....................................................... 233
3.3.16.
НПК «Технологический центр» и ОАО «Завод ПРОТОН
МИЭТ» (г. Зеленоград) .................................................................. 234
3.3.17.
ЧП «НТЛаб системы» (г. Минск) .................................................. 234
3.3.18.
Научно технический центр «ДЭЛС» (г. Минск) .......................... 235
3.4.
Инструментальные средства разработки и отладки для МП и МК ....... 235
3.5.
Тенденции развития современных микроконтроллеров ........................ 239
3.5.1.
Переход потребителей на 32 битные микроконтроллеры............. 239
3.5.2.
Лицензионные архитектуры MIPS32 и Cortex M .......................... 241
3.5.3.
Особенности проектирования и организации производства
микросхем для космического применения .................................... 242
3.6.
Особенности использования фаблесс модели при проектировании
микроэлектронных изделий для космических применений .................. 244
3.6.1.
Предпосылки возникновения и развития фаблесс модели
бизнеса ............................................................................................. 244
3.6.2.
Структура и особенности фаблесс бизнеса.................................... 245
3.6.3.
Особенности выбора заказчика по фаблесс проекту .................... 247
3.6.4.
Технические предпосылки и условия реализации типового
фаблесс проекта. Программное обеспечение и библиотеки
проектирования ............................................................................... 248
3.6.5.
Выбор технологического процесса изготовления изделия............ 249
3.6.6.
Необходимость наличия собственной аналитической базы ......... 249
3.6.7.
Изготовление опытных образцов .................................................... 250
3.6.8.
Финансовая парадигма фаблесс проекта ....................................... 251
3.6.9.
Общие рекомендации по организации работы в режиме
фаблесс ............................................................................................. 252
3.7.
Особенности выбора иностранной ЭКБ для проектирования
отечественных КА...................................................................................... 253
3.7.1.
Основные предпосылки необходимости использования
иностранной ЭКБ ............................................................................ 253
3.7.2.
Особенности этапа выбора номенклатуры ЭКБ
иностранного производства ............................................................ 255
3.7.3.
Особенности проведения сертификационных испытаний
ЭКБ ИП............................................................................................ 258
3.7.4.
Особенности реализации этапа анализа отдельных перечней
ЭКБ ИП............................................................................................ 262
3.8.
Особенности отечественной элементной базы для систем
электроэнергетического обеспечения космических летательных
аппаратов.................................................................................................... 266
3.9.
Стойкость бортовой РЭА к воздействию ионизирующих излучений ........ 270
3.10.
Силовые полупроводниковые приборы
для электронных систем КА ..................................................................... 279
3.10.1.
Основные принципы использования силовых приборов............ 279
3.10.2.
Базовые технологии силовых приборов ....................................... 281
3.10.3.
Силовые MOSFET .......................................................................... 283
3.10.4.
Интеллектуальные МОП транзисторы (SmartFET) .................... 284
3.10.5.
Интеллектуальные силовые ИС .................................................... 289
3.10.6.
Интеллектуальные ИС систем питания........................................ 292
Литература к главе 3 ......................................................................................... 296
Глава 4. Особенности выбора и применения иностранной ЭКБ
для проектирования отечественных космических аппаратов ............................. 298
4.1.
Общие проблемы выбора ЭКБ для РЭА космического назначения ...... 298
4.2.
Ограничение экспорта в Россию электронных компонентов
иностранного производства ...................................................................... 300
4.2.1.
Ограничение экспорта ЭКБ из США ............................................. 301
4.2.2.
Ограничение экспорта электронных компонентов из Европы
и других стран .................................................................................. 306
4.2.3.
Международные организации контроля экспорта ........................ 307
4.3.
Особенности применения индустриальных ЭКБ иностранного
производства в ракетно космической технике ....................................... 308
4.4.
Контрафактные микроэлектронные изделия и методы их выявления ...... 318
4.4.1.
Типы контрафактных компонентов ................................................ 318
4.4.2.
Эффективные методы выявления контрафактных изделий ......... 320
4.4.3.
Электрические испытания микроэлектронных изделий
космического назначения ............................................................... 323
4.5.
Особенности выбора и применения в отечественных космических
аппаратах иностранных процессоров....................................................... 330
4.5.1.
Проблемы применения иностранных процессоров
в отечественных КА ......................................................................... 330
4.5.2.
Варианты исполнения и квалификационные характеристики
микропроцессоров UT 699 и GR 712 .............................................. 331
4.5.3.
Архитектурные и аппаратные особенности микропроцессоров
UT 699 и GR 712 семейства Leon 3FT ............................................ 332
4.5.4.
Особенности программирования микропроцессора Leon 3 ......... 334
4.6.
Радиационно стойкие преобразователи постоянного тока
для космических и военных применений ................................................ 337
4.7.
Мировой опыт организации работ по созданию электронных
компонентов для бортовой аппаратуры космических систем ................ 344
4.8.
Ускоренные испытания ЭКБ КН на надежность .................................... 352
4.9.
Анализ результатов испытаний микросхем, закупленных в РФ
в период с 2009 по 2011 г. ........................................................................... 356
Литература к главе 4 ......................................................................................... 366
Глава 5. Методы минимизации энергопотребления микроэлектронных
устройств ................................................................................................................. 369
5.1.
Основные тенденции изменения параметров энергопотребления
микроэлектронных устройств ................................................................... 369
5.2.
Пути уменьшения величины рассеиваемой мощности
в КМОП БИС ............................................................................................ 373
5.3.
Основные источники рассеиваемой мощности в КМОП БИС ............. 384
5.4.
Логическое проектирование КМОП БИС с пониженным
энергопотреблением .................................................................................. 389
5.4.1.
Основы логического синтеза КМОП микросхем
с пониженным энергопотреблением .............................................. 389
5.4.2.
Определение источников рассеиваемой мощности
в КМОП микросхемах ..................................................................... 391
5.4.3.
Вероятностная оценка вариантов оптимизации по прогнозируемой
переключательной активности узлов микросхемы ....................... 393
5.4.4.
Выбор элементного базиса при проектировании КМОП СБИС
с пониженным энергопотреблением .............................................. 396
5.4.5.
Логический синтез КМОП БИС в базисе библиотечных
элементов ......................................................................................... 398
5.4.6.
Оптимизация двухуровневых логических схем с учетом
рассеивания мощности ................................................................... 399
5.4.7.
Выбор базовых вентилей технологически независимой
функциональной схемы .................................................................. 401
5.4.8.
Оптимизация многоуровневых логических схем
из многовходовых вентилей ............................................................ 402
5.4.9.
Оптимизация многоуровневых логических схем
из двухвходовых вентилей ............................................................... 404
5.4.10.
Технологическое отображение ...................................................... 407
5.4.11.
Оценка энергопотребления спроектированных КМОП БИС
на логическом и схемотехническом уровнях ............................... 408
5.4.12.
Технология проектирования КМОП БИС с пониженным
энергопотреблением с использованием комплекса ЭЛС ............ 410
5.4.13.
Архитектура программного комплекса ЭЛС ................................ 412
5.4.14.
Функциональные возможности программного комплекса ЭЛС .... 413
5.5.
Особенности организации режима пониженного энергопотребления
в современных интерфейсных БИС ......................................................... 417
5.5.1.
Микросхемы приемопередатчиков интерфейса RS 485 ............... 417
5.5.2.
Микросхемы приемопередатчиков интерфейса RS 232 ............... 423
5.5.3.
Конструктивно схемотехнические особенности проектирования
интерфейсных ИМС КН с пониженным напряжением питания .... 440
5.5.4.
Особенности проектирования электрических схем блоков
передатчика интерфейсных БИС с пониженным напряжением
питания ............................................................................................ 447
5.5.5.
Термонезависимый источник опорного напряжения,
равного ширине запрещенной зоны полупроводника .................. 452
5.5.6.
Варианты построения термонезависимых источников
опорного напряжения ..................................................................... 453
5.5.7.
Анализ схемотехнических особенностей организации
и применения триггеров Д типа ..................................................... 456
5.5.8.
Схемотехнические методы повышения помехоустойчивости
цифровых КМОП БИС ................................................................... 462
5.5.9.
Схемотехнические методы повышения устойчивости
микросхем к эффекту горячих электронов .................................... 475
Литература к главе 5 ......................................................................................... 480
Глава 6. Особенности технологического процесса изготовления
и базовых конструкций субмикронных транзисторов и диодов Шоттки .......... 485
6.1.
О терминологии субмикронной микроэлектроники .............................. 485
6.2.
Тенденции и перспективы развития современной технологии
в микроэлектронике .................................................................................. 487
6.2.1.
Проблема масштабирования ........................................................... 492
6.2.2.
Современная субмикронная технология – пример ее реализации
при изготовлении микропроцессоров ............................................ 493
6.3.
Особенности субмикронных МОП транзисторов .................................. 500
6.3.1.
Конструкции МОП транзисторов в СБИС ................................... 501
6.3.2.
Методы улучшения характеристик МОП транзисторов ............... 504
6.3.3.
МОП транзисторы со структурой «кремний на изоляторе» ......... 507
6.3.4.
Транзисторы с двойным, тройным и цилиндрическим
затвором ........................................................................................... 513
6.3.5.
Другие типы транзисторных структур ............................................ 518
6.3.6.
Особенности транзисторов для аналоговых применений ............. 520
6.4.
Конструктивно технологические особенности высокотемпературных
диодов Шоттки .......................................................................................... 522
6.4.1.
Физические основы функционирования диодов Шоттки ............ 522
6.4.2.
Конструктивно технологические особенности формирования
высокотемпературных диодов Шоттки .......................................... 525
6.4.3.
Методы обеспечения минимального обратного тока
и минимального прямого напряжения .......................................... 529
6.4.4.
Методы обеспечения минимального прямого напряжения
и максимального обратного напряжения ...................................... 532
6.5.
Конструктивно технологические особенности формирования
структур диодов Шоттки с повышенной устойчивостью к разрядам
статического электричества ...................................................................... 537
Литература к главе 6 ......................................................................................... 541
Глава 7. Особенности воздействия радиации на субмикронные
интегральные микросхемы .................................................................................... 549
7.1.
Физические механизмы воздействия радиации на субмикронные
КМОП интегральные микросхемы .......................................................... 550
7.2.
Воздействие радиации на аналоговые биполярные интегральные
микросхемы................................................................................................ 563
7.3.
Основные методы обеспечения радиационной стойкости
интегральных микросхем .......................................................................... 567
7.4.
Радиационная стойкость современных и перспективных ИМС ........... 568
7.5.
Рекомендуемый набор тестовых элементов для экспериментальных
исследований влияния радиационных воздействий на характеристики
кремниевых микросхем ............................................................................. 572
7.6.
Оборудование и методики облучения тестовых структур
и исследуемых образцов микросхем ......................................................... 575
7.7.
Методика измерения электрических параметров тестовых структур
после радиационной обработки ............................................................... 578
7.8.
Экспериментальные результаты воздействия электронного
облучения на параметры эпитаксиальных кремниевых p n структур ....... 581
7.9.
Экспериментальные результаты исследования воздействия
проникающей радиации на параметры биполярных транзисторных
структур ...................................................................................................... 588
7.10.
Экспериментальные исследования влияния ионизирующих
излучений на параметры биполярных аналоговых интегральных
микросхем ................................................................................................ 593
7.11.
Экспериментальные результаты исследований воздействия
ионизирующих излучений на параметры транзисторных
МОП структур и интегральных микросхем на их основе..................... 601
7.11.1.
Исследование влияния гамма излучения на параметры
транзисторных МОП структур ..................................................... 601
7.11.2.
Экспериментальные исследования воздействия гамма излучения
на параметры МОП конденсаторов и транзисторных
МОП-структур – элементов субмикронных КМОП ИMС......... 609
7.11.3.
Особенности воздействия гамма-излучения на параметры
МОП ячеек памяти ЭСППЗУ ....................................................... 612
7.11.4.
Экспериментальные исследования воздействия проникающего
излучения на параметры логических КМОП ИМС..................... 615
7.11.5.
Влияние ионизирующего излучения на параметры
КМОП БИС памяти....................................................................... 620
7.11.6.
Экспериментальные исследования влияния радиационного
воздействия на параметры транзисторных МОП/КНИ структур
и КМОП БИС ОЗУ на их основе .................................................. 627
7.11.7.
Экспериментальное исследование воздействия
проникающего излучения на параметры БиКМОП БИС........... 635
7.12.
Особенности применения имитационных методов исследования
радиационных эффектов в БиКМОП микросхемах ............................. 642
Литература к главе 7 ......................................................................................... 653
Глава 8. Методы прогнозирования и повышения радиационной
стойкости биполярных и КМОП интегральных микросхем ............................... 665
8.1.
Методы прогнозирования радиационной стойкости КМОП ИМС ...... 665
8.1.1.
Расчетно-экспериментальные методы прогнозирования
радиационной стойкости МОП-приборов .................................... 665
8.1.2.
Метод прогнозирования (отбора) КМОП ИМС
по радиационной стойкости ........................................................... 671
8.2.
Расчетно экспериментальные методы прогнозирования
радиационной стойкости биполярных и БиКМОП приборов ............... 674
8.3.
Расчетно-экспериментальный метод прогнозирования
радиационной стойкости МОП запоминающих элементов ЭСППЗУ ...... 676
8.4.
Методы повышения устойчивости ИМС к воздействию
проникающей радиации............................................................................ 677
8.4.1.
Конструктивно-технологические методы повышения
радиационной стойкости КМОП и БиКМОП микросхем ........... 677
8.4.2.
Стандартные конструктивно схемотехнические методы
повышения радиационной стойкости ИМС ................................. 680
8.4.3.
Новые конструктивно схемотехнические методы повышения
радиационной стойкости КМОП БИС .......................................... 688
Литература к главе 8 ......................................................................................... 693
Предисловие
Первоначальное по замыслу авторов назначение этой книги – ознакомить разработчиков бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) и
систем двойного и специального назначения с современными подходами к проектированию и
применению микроэлектронной элементной базы этой аппаратуры.
Однако в процессе написания книги, сбора и обработки имеющейся обширной
информации, бесед с чиновниками и специалистами отечественной и зарубежной
космической и микроэлектронной отраслей промышленности первоначальный замысел авторов был существенно изменен. Полученные в результате анализа обширные дополнительные материалы заставили отказаться от исходного формата
книги, и кроме изложения собственно особенностей и проблем проектирования
современных микроэлектронных устройств для приборов космического и специального назначения здесь представлен значительно более расширенный материал.
Весь этот материал автором пришлось оформить в виде «двухтомника», где
кроме глав, посвященных непосредственно проблемам проектирования современных микроэлектронных устройств космического и специального (военного) назначения, появились
главы, посвященные другим «космическим» проблемам –
как устроены современные космические аппараты (КА), какова роль радиоэлектронного бортового оборудования в достижении цели проекта, для которого разрабатывался этот КА, какова статистика аварий и отказов этих аппаратов, почему
эти аварии и отказы в значительной степени связаны с качеством и функциональными
возможностями используемых в их бортовых РЭА микросхем, почему в РФ
активно применяются контрафактные микросхемы и как с ними бороться, како-
вы физические механизмы воздействия на РЭА КН ионизирующих излучений
космического пространства и потоков сверхскоростных высокоэнергетических
микрочастиц (космическая пыль) и какими методами и технологическими реше-
ниями можно если не исключить, то хотя бы уменьшить их влияние на надеж-
ность функционирования РЭА космического и специального назначения – и
многое другое.
Необходимость такого существенного увеличения объема книги было во мно-
гом обусловлена информацией, почерпнутой авторами из фундаментального труда
Железнякова А.Б. «Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос» / М.:
Эксмо: Яуза, 2011. – 544 с., где фактически в сжатом виде детально изложена вся
история как отечественной, так и мировой космонавтики.
Изложенные в этой работе факты, описания всех основных этапов грандиоз-
ной эпопеи выхода человечества за пределы нашей Земли, показали всю слож-
ность этой чрезвычайно важной для человечества задачи, а также «высветили»
роль так называемой ЭКБ – элементно-компонентной базы в процессе покоре-
ния космоса.
Конечно, автор этой работы (Железняков А.Б.) не предполагал, что всю массу
достоверно изложенных им триумфальных и трагических событий процесса ос-
воения космического пространства будут читать специалисты по электронике и
рассматривать события под своим углом зрения, с учетом своего опыта и знаний в
сфере микроэлектроники.
К сожалению, и в этом читатели сами могут легко убедиться, обратившись к
первоисточнику, более чем в трети случаев аварий и отказов КА одной из наибо-
лее вероятных причин этих событий является отказ этой самой ЭКБ.
Забегая вперед, одной из многих задач этой книги авторы считают и такую –
проектируя конкретную бортовую радиоэлектронную аппаратуру для КА и выбирая
для этого уже имеющуюся на рынке (или разрабатывая новую ЭКБ) разработчики
должны представлять себя на месте тех людей (космонавтов, сотрудников назем-
ных служб обеспечения КА, военных), жизни которых самым непосредственным
способом будут зависеть от надежности этой самой РЭА. Так в оглавлении книги
появились непредусмотренные ранее главы о структуре и составе бортовой аппара-
туры КА, о детальном сравнительном анализе статистики и причинах аварий и от-
казов ракетоносителей и КА, о контрафактной ЭКБ и способах борьбы с ней.
В ходе изучения этого дополнительного и непосредственно никак не связан-
ного с профессиональной деятельностью авторов (микроэлектроника и ее при-
ложения) материала возникла объективная необходимость сравнить подходы раз-
работчиков КА разных стран (США, СССР/РФ, Китая, стран Евросоюза и др.) к
развитию соответствующей инфраструктуры и принципов использования ЭКБ в
КА и военной технике.
К удивлению авторов – дилетантов оказалось (и это отражено в материалах
книги), что, например, в Китае, намного позже включившемся в «космическую
гонку», в последние годы соотношение числа удачных к неудачным пускам КА
значительно лучше, чем в США и РФ, что у них на момент написания этой книги
в КА используется не менее 98% собственной ЭКБ (для РФ этот показатель – в
зависимости от источника информации – лежит в диапазоне только от 20 до 30% –
все остальное – это иностранная ЭКБ), а их КА уже далеко не повторяют амери-
канские и российские технические решения, а во многом их опережают, а, на-
пример, в области разработки «противоспутникового» оружия они продвинулись
весьма существенно вперед, продемонстрировав наблюдающим за ними конку-
рентам (США и РФ) активно маневрирующие на орбите и выполняющие различ-
ные манипуляции роботы-спутники («убийцы» спутников), а их «нефритовый
заяц» достаточно комфортно чувствует себя на Луне.
В итоге вместо задуманного авторами скромного однотомного руководства
по проектированию современных высоконадежных ИМС и ПП для космической
и военной техники, читателю предлагается своего рода энциклопедия космичес-
кой электроники, обобщающая в объеме двухтомника основную имеющуюся в
открытой печати информацию как о причинах основных аварий и отказов кос-
мической техники за весь период ее развития, так и практические рекомендации
по проектированию надежной элементной базы для бортовой РЭА.
Авторы выражают благодарность коллегам, активно участвовавшим в подго-
товке и обсуждении материалов книги, критические замечания и дополнения ко-
торых способствовали улучшению как структуры книги, так и излагаемого в ней
материала – Бибило П.Н., Богатырев Ю.В., Борисенко В.Е., Бондаренко В.П., Дол-
гий Л.Н., Овчинников В.И., Стемпицкий В.Р., Ушеренко С.М., Коршунов В.П.,
Критенко М.И., Стешенко В.Б., Турцевич А.С., Телец В.А., Мерданов М.К., Мака-
ров Ю.Н., Никифоров А.Ю., Черемисинова Л.Д., Шиллер В.А. и др.
Следует отметить, что многие из этих коллег предоставили авторам ориги-
нальные материалы собственных исследований по тематике этой книги – их вклю-
чение в состав книги в значительной степени усилило практическую направлен-
ность работы.
Авторы также выражают благодарность рецензентам – академику Витязю П.А.
и академику Лабунову В.А., конкретные замечания и предложения которых в зна-
чительной степени способствовали формированию окончательного варианта пред-
лагаемой читателю книги.
Огромный объем работ по техническому оформлению рукописи был выпол-
нен Гордиенко С.В. и Горовой Е.В.
При написании книги авторы использовали многочисленные открытые зару-
бежные и отечественные источники, результаты собственных научных исследо-
ваний и практические результаты, полученные ими в области проектирования
современных микроэлектронных изделий, учитывая специфику исследуемых про-
блем – достоверная информация о результатах анализа причин катастроф и ава-
рий как в СССР/РФ, США, так и в Китае редко появляется в открытой печати.
Поэтому здесь авторы использовали также информацию, полученную во время
личных встреч и переговоров с сотрудниками китайской и индийской космичес-
кой промышленности, в том числе – неоднократных встреч и дискуссий с Абдул
Каламом (его называют «индийский Королев») – до того периода времени, когда
он был избран Президентом Индии – и другими авторитетными специалистами.
Введение
Уникальность предмета исследований книги – космическая и специальная (эк-
стремальная) микроэлектроника – элементная база современной ракетно-кос-
мической техники (РКТ), а также систем вооружений и военной техники.
Впервые в отечественной научно-технической литературе сделана попытка
рассмотреть в рамках одной книги всю сложную цепь взаимосвязанных этапов
создания электронных блоков РКТ – от разработки требований к этим блокам и
их элементно-компонентной базе (ЭКБ) до выбора технологического базиса ее
реализации, методов проектирования микросхем и на их основе бортовых систем
управления аппаратурой космического и специального назначения.
Структура и последовательность изложения материала здесь направлена на из-
ложение достаточно сложного материала в максимально упрощенном (но не в ущерб
качеству) виде. Читателю последовательно излагается достаточный для понимания
проблемы, но минимальный объем информации – от устройства и классификации
космических аппаратов и их бортовых систем, результатов статистического анали-
за причин их аварий и отказов до особенностей выбора и применения ЭКБ иност-
ранного производства. Основной объем представленного материала касается про-
блем проектирования микросхем космического назначения – от выбора техноло-
гии изготовления до методов их проектирования с учетом особенностей глубокого
субмикрона.
Для достижения этой цели материал книги представлен в виде 20-ти глав.
В первой главе в сжатом виде представлены основные направления и тенден-
ции развития космической техники и технологии, приводится классификация кос-
мических аппаратов, дается краткое описание их устройства, принципов органи-
зации и функционирования основных электронных бортовых систем управления,
ибо именно исходя из требований к функциональным возможностям и техничес-
ким характеристикам этих систем формулируются требования к их ЭКБ. Более
подробно рассмотрены космические аппараты дистанционного зондирования
Земли, поскольку в одной из последующих глав рассмотрены практические при-
меры проектирования для них специализированных ПЗС – микросборок.
Здесь же кратко рассмотрены основные механизмы воздействия на КА фак-
торов космического пространства (радиации, микрометеоритов и др.).
В последнем параграфе главы рассмотрены основные направления развития
новых направлений в космическом приборостроении – применение МЭМС-тех-
нологий для создания миниатюрных (размерами со спичечный коробок) реак-
тивных двигателей космического назначения.
Вторая глава посвящена общим проблемам обеспечения безопасности ракет-
но-космической техники, систематизации и анализу основных причин катаст-
роф, аварий, отказов ракетоносителей и КЛА. Приводятся обобщенные по от-
крытым источникам информации статистические данные по изменению харак-
тера и причин отказов на основных этапах развития космической техники, пока-
зана роль надежности используемой ЭКБ в решении задачи снижения рисков
отказов, формулируются основные требования к количественным показателям
надежности и долговечности ЭКБ КН.
Отдельно здесь рассмотрены специальные методы обеспечения надежности
бортовой аппаратуры КА длительного функционирования.
Третья глава посвящена общим вопросам выбора микроэлектронной ЭКБ для
устройств ракетно-космической техники. Рассмотрена типовая структура контрол-
лера бортовой электронной системы управления КА, даны конкретные примеры
использования процессоров и микроконтроллеров в электронных системах уп-
равления иностранными КА,
Детально рассмотрены основные технические характеристики и функциональ-
ные особенности почти всех известных отечественных микроконтроллеров двой-
ного и специального назначения, а также важные для практического применения
особенности проектирования и организации производства микросхем для кос-
мических применений.
При рассмотрении последнего вопроса большое внимание уделено особеннос-
тям использования фаблес – модели, когда оригинальная микросхема проектиру-
ется отечественным дизайн-центром под требования конкретного заказчика – раз-
работчика РЭА космического или специального применения, а затем изготавлива-
ется на одной из зарубежных микроэлектронных фабрик, отдельный параграф гла-
вы посвящен важным для инженера-дизайнера особенностям выбора конкретного
конструктивно-технологического базиса (типа технологии, минимальных проект-
ных норм уровня глубокого субмикрона) для проектирования микросхем косми-
ческого назначения.
Система электроэнергообеспечения современных космических аппаратов во
многом определяет их конечные тактико-технические характеристики, поэтому
здесь детально рассмотрены состав и технические характеристики соответствую-
щей отечественной ЭКБ для систем электрообеспечения.
Для стремительно развивающегося в РФ космического направления – спут-
ников и специальной аппаратуры дистанционного зондирования Земли – пред-
ставлено описание соответствующей ЭКБ, рассмотрены функциональные возмож-
ности, технические характеристики и особенности применения.
Поскольку воздействие ионизирующих излучений космического пространства
является одним из главных факторов, ограничивающих сроки активного суще-
ствования КА и приводящих к отказам и сбоям в работе бортовой РЭА (примерно
в 30% случаев отказов функционирования их причиной является воздействие ра-
диации), отдельный параграф целиком посвящен общим вопросам обеспечения
стойкости бортовой РЭА к ионизирующим излучениям.
В частности, рассмотрены вопросы формирования соответствующих требо-
ваний и определения локальных радиационных условий на борту КА, особеннос-
ти методик оценки радиационной стойкости бортовой РЭА, а также рекоменда-
ции по повышению эффективности использования элементов радиационной за-
щиты от воздействия тяжелых заряженных частиц, основные нормативные мето-
дики оценки радиационной стойкости бортовой РЭА.
Поскольку, кроме микросхем, при построении РЭА КН широко используют-
ся и дискретные полупроводниковые приборы, в конце главы рассмотрена но-
менклатура силовых полупроводниковых приборов КН (мощные полевые тран-
зисторы, диоды, IGBT-модули и др.).
Четвертая глава посвящена особенностям выбора и применения в составе
отечественных космических аппаратов ЭКБ иностранных производителей. Рас-
смотрены общие проблемы и подходы к выбору такой ЭКБ. Отдельно анализиру-
ются нормативные документы США и Евросоюза, ограничивающие экспорт в
Россию этих компонентов, рассмотрены пути и механизмы решения сопутствую-
щих проблем.
Поскольку приобретение иностранной ЭКБ категории Space обычно пред-
ставляет собой достаточно сложную задачу, на практике для проектирования РЭА
КН широко используют иностранную ЭКБ категории Industry (промышленного
назначения). Детально рассмотрены особенности применения этих изделий в ра-
кетно-космической технике, приводится перечень обязательных мероприятий,
которые должен выполнить разработчик РЭА перед тем, как поставить эти образ-
цы в электронные блоки проектируемой РЭА КН. Отдельный параграф посвя-
щен проблемным особенностям выбора иностранной ЭКБ для РЭА стратегичес-
ки значимых отечественных объектов.
Одной из важнейших проблем комплектации РЭА КН импортными микро-
электронными изделиями является проблема так называемого «контрафакта».
Причем эта проблема не только для российских разработчиков, она носит гло-
бальный характер – известно много случаев, когда даже в электронные системы
подводных лодок, боевых самолетов США и стран НАТО, космической аппарату-
ры НАСА и Европейского космического агентства попадали контрафактные (под-
дельные, клонированные) микросхемы низкого качества китайского производ-
ства (в Китае налажено массовое производство таких изделий).
В последние годы все больше контрафактных изделий выявляется и российс-
кими специалистами, а в ряде случаев однозначно установлена их ответственность
за отказы РКТ.
Дана следующая классификация контрафактных изделий: пиратская версия
(клон), компонент не соответствует стандартам изготовления оригинального изде-
лия; компонент не изготовлен сертифицированным на то производителем; компо-
нент является дефектным или ранее бывшим в употреблении, но поставленным
под видом новых компонентов; компонент имеет некорректную (или поддель-
ную) маркировку и сопроводительную документацию. В итоге контрафактную
продукцию можно отнести к следующим более частным категориям: повторно
используемые, перемаркированные, дефектные (бракованные), незаконно (на-
пример, сверх договорного объема) произведенные, клонированные, незаконно
измененные (восстановленные) изделия, а также компоненты с поддельной до-
кументацией.
Для каждой из этих категорий рассмотрены эффективные методы их выявле-
ния. Подробно описан один из таких эффективных методов – специальный ком-
плекс электрических и температурных испытаний с конкретными примерами из
практики анализа. Рассмотрены особенности выбора и применения в отечествен-
ных космических аппаратах иностранных процессоров и микроконтроллеров,
необходимых для построения высокопроизводительных и надежных бортовых
цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) – как для систем полезной на-
грузки, так и для платформы космических аппаратов. Детально проанализирован
наиболее широко используемый с 2009 г. в космической отрасли США и стран ЕС
разработанный компанией Aeroflex процессорный комплект Leon 3FT (микро-
процессоры UT699 и GR712): варианты использования, квалификационные ха-
рактеристики, архитектурные и аппаратные особенности, особенности програм-
мирования и пр.
Отдельный параграф посвящен иностранным радиационно-стойким преоб-
разователям постоянного тока для космических и военных применений, объем
импорта которых в Россию за последние 5 лет увеличился на порядок. Как извес-
тно, система электропитания любого спутникового оборудования должна быть
адаптирована к высокой тактовой частоте работы и быстрому изменению нагруз-
ки на шине питания. Показано, что для этого требуется, чтобы эти DC/DC пре-
образователи и стабилизаторы обладали переходными характеристиками на уровне
не ниже десяти ампер на микросекунду при изменении нагрузки в полном диапа-
зоне, при этом максимальное отклонение величины выходного напряжения не
должно превышать ±5%, ибо любое превышение предельно допустимого напря-
жения питания процессора или ПЛИС при таком изменении нагрузки может при-
вести к мгновенному (или скрытому) отказу микросхемы бортовой РЭА.
Здесь же представлены основные результаты обобщения мирового опыта орга-
низации работ по созданию электронных компонентов для бортовой аппаратуры
космических аппаратов, поскольку специфика ЭКБ КН заключается в том, что ее
развитие идет своим путем, отличным от развития электроники общепромыш-
ленной, ориентированной на выпуск массовой продукции с коротким жизнен-
ным циклом и быстрой сменяемостью типов изделий.
Представлены особенности организации работ по развитию ЭКБ КН в США,
где этим занимаются параллельно три ведомства – министерства обороны и энер-
гетики, НАСА, а также в Европе, Японии и Китае.
В пятой главе рассмотрены основные направления решения одной из наибо-
лее актуальных проблем космической микроэлектроники – снижение энергопот-
ребления микроэлектронных устройств космического назначения. Актуальность
проблемы обусловлена тем очевидным фактом, что функциональные возможно-
сти и производительность бортовой РЭА неуклонно увеличиваются, а закон со-
хранения энергии никто еще не отменил. Если за каждый килограмм (тонну) по-
лезной нагрузки конструкторам ракетно-комической техники приходится пла-
тить сокращением «избыточных» функций, то для обеспечения минимизации
энергопотребления электронных блоков приходится использовать самые различ-
ные методы и способы, основанные на использовании как особенностей собствен-
но микроэлектронных технологий изготовления ЭКБ, так и целого спектра ори-
гинальных конструктивно-схемотехнических методов. Пятая глава как раз и по-
священа описанию основных из этих методов.
В начале главы рассмотрены основные механизмы рассеивания мощности в
наиболее широко используемых в КА КМОП-микросхемах, физические, схемотех-
нические, технологические и системотехнические (архитектурные) ограничения,
которые надо знать и учитывать разработчиками и потребителям микросхем кос-
мического применения. Особое внимание в этой главе уделено интерфейсным мик-
росхемам, которые позволяют обеспечивать совместное функционирование в со-
ставе бортовой системы самых различных функциональных блоков, узлов и эле-
ментов систем как единичного целого, организовать взаимодействие различных
электронных бортовых систем КА между собой, обеспечить быстрый и надежный
информационный обмен как между этими «внутренними» системами, так и с «вне-
шними» устройствами. Без так называемого «развитого интерфейса» невозможна
эффективная эксплуатация самых современных вычислительных и управляющих
бортовых систем КА. Важнейшими элементами интерфейса являются специаль-
ные микросхемы, используемые для построения интерфейсных каналов, которые
имеют множество разновидностей, отличающихся функциональными возможнос-
тями, схемотехническими и конструктивно-технологическими решениями, систе-
мой электрических параметров и особенностями применения. Единственное, что
их объединяет, – проблема минимизации их энергопотребления при работе в со-
ставе бортовых систем РЭА КН, а также условия работы (высокий уровень вне-
шних помех, высокие значения переключаемых (коммутируемых) и нагрузочных
токов, экстремальные электрические нагрузки, работа в условиях радиационных и
механических воздействий. Особенности проектирования и применения интерфей-
сных микросхем предыдущего поколения достаточно подробно были изложены в
работе А.И. Белоуса, О.Е. Блинкова «Биполярные микросхемы для интерфейсов
систем автоматического управления (Ленинград, «Машиностроение», 1990 г., 272 с.),
на которую в главе даются соответствующие ссылки.
Однако новому поколению интерфейсных микросхем присущи и новые про-
блемы, и новые методы их разрешения, поэтому здесь основное внимание чита-
телей сконцентрировано на особенностях организации режимов понижения энер-
гопотребления в современных интерфейсных микросхемах преимущественно с
последовательной (а не параллельной) передачей данных. Рассмотрены наиболее
часто используемые разработчиками бортовой РЭА микросхемы приемо-передат-
чиков пониженного энергопотребления типа RS-232 и RS-485, приведены конст-
руктивно-схемотехнические особенности их проектирования, дан развернутый
пример проектирования конкретной схемы электрического блока передатчика,
источника температуронезависимого опорного напряжения и др.
Основные конструктивно-схемотехнические особенности проектирования
ИМС КН с пониженным напряжением питания детально рассмотрены в рамках
отдельного параграфа.
Учитывая широкое использование в интерфейсных (и не только) микросхе-
мах элементов памяти (Embedded memory – встроенная память), последний па-
раграф этой главы посвящен детальному анализу схемотехнических особеннос-
тей организации и применения наиболее часто используемых типов базовых эле-
ментов (ячеек) памяти – различного вида триггеров D-типа.
Учитывая повышенный уровень различного рода помех, генерируемых на борту
эксплуатируемого космического аппарата (орбитальной станции, навигационного
спутника, межпланетного космического аппарата), в эту главу включен специ-
альный параграф, посвященный детальному анализу как самих источников воз-
никающих помех, так и конструктивно-схемотехническим методам их подавле-
ния на ранних этапах – проектирования как собственных заказных микросхем,
так и на этапах их последующего применения в составе бортовой РЭА КН.
Шестая глава посвящена особенностям технологического процесса изготов-
ления и базовым конструкциям современных транзисторов и диодов Шоттки,
предназначенных для использования при проектировании и изготовлении мик-
росхем и полупроводниковых приборов космической микроэлектроники.
Эта глава необходима для понимания современных тенденций и перспектив
развития современной микроэлектроники, которая развивается в направлении
так называемого «глубокого субмикрона». На первый план здесь выходит пробле-
ма масштабирования геометрических размеров интегральных микросхем – умень-
шение линейных (горизонтальных) и вертикальных (параметров активной струк-
туры базового транзистора) размеров вызвала к жизни совершенно новые, ранее
неизвестные физические механизмы отказов этого нового поколения микроэлек-
тронных изделий.
Поэтому здесь детально рассмотрены особенности технологий изготовления и
формируемые этими технологиями конструкции субмикронных МОП-транзисто-
ров. Представлен общий анализ этих конструкций, дано описание наиболее часто
используемых в практической деятельности инженеров-разработчиков БИС мето-
дов улучшения рабочих характеристик МОП-транзисторов для проектных норм 90,
65, 45 нм и менее, отдельно рассмотрены особенности, достоинства и основные
недостатки МОП-транзисторов со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ), осо-
бенности транзисторов с двойным, тройным, и так называемым «цилиндрическим
затвором», а также другие используемые в БИС КН типы транзисторных структур.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены особенности использования в составе
БИС КН специальных конструкций транзисторов для аналоговых применений.
Также отдельный параграф главы посвящен конструктивно-технологическим
особенностям изготовления и использования в составе микроэлектронных уст-
ройств высокотемпературных диодов Шоттки – представлены более пятидесяти
вариантов их конструкций с соответствующими комментариями в зависимости
от решаемых ими задач в составе конкретных микросхем и дискретных полупро-
водниковых приборов космического назначения.
Седьмая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу осо-
бенностей воздействия ионизирующих излучений космического пространства на
субмикронные интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые при-
боры. Если физические механизмы воздействия радиации на «досубмикронные»
микросхемы были достаточно хорошо изучены и представлены в многочисленных
открытых отечественных и зарубежных изданиях, то при использовании субмик-
ронных проектных норм образовался определенный «информационный вакуум» –
в различных литературных источниках часто публиковалась прямо противополож-
ная информация, вплоть до того что субмикронные микросхемы вообще нельзя
использовать в космической аппаратуре из-за якобы их низкой стойкости к иони-
зирующим излучениям открытого космического пространства.
Во многом это объясняется жесткой конкурентной борьбой на рынке изгото-
вителей БИС КН, а также чисто экономическими факторами – разработка суб-
микронной технологии требует вложения уже не сотен тысяч долларов, а сотен
миллионов для уровня 90 нм и достигает нескольких миллиардов долларов для
уровня 45 нм и менее.
К сожалению, на основании подобной дезинформации были приняты и оп-
ределенные решения лидерами отечественной ракетно-технической отрасли, от-
ветственными за принятие решений в области использования ЭКБ для косми-
ческого аппаратостроения.
Поэтому в данной главе детально рассмотрены конкретные особенности и
физические механизмы воздействия радиации на субмикронные БИС (КМОП,
биполярные, цифровые, аналоговые, схемы памяти), а также представлены основ-
ные методы обеспечения их радиационной стойкости, включая рекомендации по
составу тестовых приборов, элементов для экспериментальных исследований вли-
яния радиационных воздействий на характеристики кремниевых микросхем, ре-
комендации по используемому оборудованию и методикам облучения образцов,
методикам их измерений после радиационной обработки.
Достоинством материалов этой главы является то, что в отличие от различного
рода утверждений о «стойкости» или «нестойкости» базовых конструкций субмик-
ронной БИС в десяти параграфах главы представлены конкретные результаты экс-
периментальных исследований (преимущественно отечественных, в том числе ав-
торских, а также авторитетных зарубежных исследователей) о воздействии разного
рода излучений на характеристики различных микроэлектронных приборов.
Так, представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований
воздействия гамма-излучения на параметры субмикронных МОП-транзисторов,
МОП-конденсаторов, ячеек памяти на МОП-транзисторах, логических МОП
ИМС, КМОП ОЗУ, ПЗУ, БиКМОП БИС, МОП/КНИ структур и БИС ОЗУ на их
основе.
Принимая во внимание объективные технические и финансовые проблемы
разработчиков РЭА КН в отношении возможности проведения натурных испы-
таний (полигон в Семипалатинске во времена СССР эти проблемы закрывал), в
последнем параграфе этой главы приводятся описания особенностей примене-
ния и физические обоснования целесообразности применения адекватных ими-
тационных методов исследований радиационных эффектов и методов прогнози-
рования на их основе радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-микросхем.
Здесь же представлены конкретные и только апробированные в отечествен-
ной и зарубежной практике методы повышения устойчивости различных классов
БИС к воздействию факторов проникающей радиации (гамма, альфа, бета излу-
чениям, тяжелым заряженным частицам, протонам, нейтронам и другим видам
ионизирующих излучений). Детально описаны методики облучения, методики
измерений электрических параметров тестовых структур и образцов типовых пред-
ставителей основных классов ИМС, состав и особенности используемого при этом
оборудования, технической оснастки и специальных программных обеспечений.
Следующая, восьмая глава целиком посвящена описанию апробированных рас-
четно-экспериментальных методов прогнозирования и расчета уровней радиаци-
онной стойкости как
Первоначальное по замыслу авторов назначение этой книги – ознакомить разработчиков бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов (КА) и
систем двойного и специального назначения с современными подходами к проектированию и
применению микроэлектронной элементной базы этой аппаратуры.
Однако в процессе написания книги, сбора и обработки имеющейся обширной
информации, бесед с чиновниками и специалистами отечественной и зарубежной
космической и микроэлектронной отраслей промышленности первоначальный замысел авторов был существенно изменен. Полученные в результате анализа обширные дополнительные материалы заставили отказаться от исходного формата
книги, и кроме изложения собственно особенностей и проблем проектирования
современных микроэлектронных устройств для приборов космического и специального назначения здесь представлен значительно более расширенный материал.
Весь этот материал автором пришлось оформить в виде «двухтомника», где
кроме глав, посвященных непосредственно проблемам проектирования современных микроэлектронных устройств космического и специального (военного) назначения, появились
главы, посвященные другим «космическим» проблемам –
как устроены современные космические аппараты (КА), какова роль радиоэлектронного бортового оборудования в достижении цели проекта, для которого разрабатывался этот КА, какова статистика аварий и отказов этих аппаратов, почему
эти аварии и отказы в значительной степени связаны с качеством и функциональными
возможностями используемых в их бортовых РЭА микросхем, почему в РФ
активно применяются контрафактные микросхемы и как с ними бороться, како-
вы физические механизмы воздействия на РЭА КН ионизирующих излучений
космического пространства и потоков сверхскоростных высокоэнергетических
микрочастиц (космическая пыль) и какими методами и технологическими реше-
ниями можно если не исключить, то хотя бы уменьшить их влияние на надеж-
ность функционирования РЭА космического и специального назначения – и
многое другое.
Необходимость такого существенного увеличения объема книги было во мно-
гом обусловлена информацией, почерпнутой авторами из фундаментального труда
Железнякова А.Б. «Тайны ракетных катастроф. Плата за прорыв в космос» / М.:
Эксмо: Яуза, 2011. – 544 с., где фактически в сжатом виде детально изложена вся
история как отечественной, так и мировой космонавтики.
Изложенные в этой работе факты, описания всех основных этапов грандиоз-
ной эпопеи выхода человечества за пределы нашей Земли, показали всю слож-
ность этой чрезвычайно важной для человечества задачи, а также «высветили»
роль так называемой ЭКБ – элементно-компонентной базы в процессе покоре-
ния космоса.
Конечно, автор этой работы (Железняков А.Б.) не предполагал, что всю массу
достоверно изложенных им триумфальных и трагических событий процесса ос-
воения космического пространства будут читать специалисты по электронике и
рассматривать события под своим углом зрения, с учетом своего опыта и знаний в
сфере микроэлектроники.
К сожалению, и в этом читатели сами могут легко убедиться, обратившись к
первоисточнику, более чем в трети случаев аварий и отказов КА одной из наибо-
лее вероятных причин этих событий является отказ этой самой ЭКБ.
Забегая вперед, одной из многих задач этой книги авторы считают и такую –
проектируя конкретную бортовую радиоэлектронную аппаратуру для КА и выбирая
для этого уже имеющуюся на рынке (или разрабатывая новую ЭКБ) разработчики
должны представлять себя на месте тех людей (космонавтов, сотрудников назем-
ных служб обеспечения КА, военных), жизни которых самым непосредственным
способом будут зависеть от надежности этой самой РЭА. Так в оглавлении книги
появились непредусмотренные ранее главы о структуре и составе бортовой аппара-
туры КА, о детальном сравнительном анализе статистики и причинах аварий и от-
казов ракетоносителей и КА, о контрафактной ЭКБ и способах борьбы с ней.
В ходе изучения этого дополнительного и непосредственно никак не связан-
ного с профессиональной деятельностью авторов (микроэлектроника и ее при-
ложения) материала возникла объективная необходимость сравнить подходы раз-
работчиков КА разных стран (США, СССР/РФ, Китая, стран Евросоюза и др.) к
развитию соответствующей инфраструктуры и принципов использования ЭКБ в
КА и военной технике.
К удивлению авторов – дилетантов оказалось (и это отражено в материалах
книги), что, например, в Китае, намного позже включившемся в «космическую
гонку», в последние годы соотношение числа удачных к неудачным пускам КА
значительно лучше, чем в США и РФ, что у них на момент написания этой книги
в КА используется не менее 98% собственной ЭКБ (для РФ этот показатель – в
зависимости от источника информации – лежит в диапазоне только от 20 до 30% –
все остальное – это иностранная ЭКБ), а их КА уже далеко не повторяют амери-
канские и российские технические решения, а во многом их опережают, а, на-
пример, в области разработки «противоспутникового» оружия они продвинулись
весьма существенно вперед, продемонстрировав наблюдающим за ними конку-
рентам (США и РФ) активно маневрирующие на орбите и выполняющие различ-
ные манипуляции роботы-спутники («убийцы» спутников), а их «нефритовый
заяц» достаточно комфортно чувствует себя на Луне.
В итоге вместо задуманного авторами скромного однотомного руководства
по проектированию современных высоконадежных ИМС и ПП для космической
и военной техники, читателю предлагается своего рода энциклопедия космичес-
кой электроники, обобщающая в объеме двухтомника основную имеющуюся в
открытой печати информацию как о причинах основных аварий и отказов кос-
мической техники за весь период ее развития, так и практические рекомендации
по проектированию надежной элементной базы для бортовой РЭА.
Авторы выражают благодарность коллегам, активно участвовавшим в подго-
товке и обсуждении материалов книги, критические замечания и дополнения ко-
торых способствовали улучшению как структуры книги, так и излагаемого в ней
материала – Бибило П.Н., Богатырев Ю.В., Борисенко В.Е., Бондаренко В.П., Дол-
гий Л.Н., Овчинников В.И., Стемпицкий В.Р., Ушеренко С.М., Коршунов В.П.,
Критенко М.И., Стешенко В.Б., Турцевич А.С., Телец В.А., Мерданов М.К., Мака-
ров Ю.Н., Никифоров А.Ю., Черемисинова Л.Д., Шиллер В.А. и др.
Следует отметить, что многие из этих коллег предоставили авторам ориги-
нальные материалы собственных исследований по тематике этой книги – их вклю-
чение в состав книги в значительной степени усилило практическую направлен-
ность работы.
Авторы также выражают благодарность рецензентам – академику Витязю П.А.
и академику Лабунову В.А., конкретные замечания и предложения которых в зна-
чительной степени способствовали формированию окончательного варианта пред-
лагаемой читателю книги.
Огромный объем работ по техническому оформлению рукописи был выпол-
нен Гордиенко С.В. и Горовой Е.В.
При написании книги авторы использовали многочисленные открытые зару-
бежные и отечественные источники, результаты собственных научных исследо-
ваний и практические результаты, полученные ими в области проектирования
современных микроэлектронных изделий, учитывая специфику исследуемых про-
блем – достоверная информация о результатах анализа причин катастроф и ава-
рий как в СССР/РФ, США, так и в Китае редко появляется в открытой печати.
Поэтому здесь авторы использовали также информацию, полученную во время
личных встреч и переговоров с сотрудниками китайской и индийской космичес-
кой промышленности, в том числе – неоднократных встреч и дискуссий с Абдул
Каламом (его называют «индийский Королев») – до того периода времени, когда
он был избран Президентом Индии – и другими авторитетными специалистами.
Введение
Уникальность предмета исследований книги – космическая и специальная (эк-
стремальная) микроэлектроника – элементная база современной ракетно-кос-
мической техники (РКТ), а также систем вооружений и военной техники.
Впервые в отечественной научно-технической литературе сделана попытка
рассмотреть в рамках одной книги всю сложную цепь взаимосвязанных этапов
создания электронных блоков РКТ – от разработки требований к этим блокам и
их элементно-компонентной базе (ЭКБ) до выбора технологического базиса ее
реализации, методов проектирования микросхем и на их основе бортовых систем
управления аппаратурой космического и специального назначения.
Структура и последовательность изложения материала здесь направлена на из-
ложение достаточно сложного материала в максимально упрощенном (но не в ущерб
качеству) виде. Читателю последовательно излагается достаточный для понимания
проблемы, но минимальный объем информации – от устройства и классификации
космических аппаратов и их бортовых систем, результатов статистического анали-
за причин их аварий и отказов до особенностей выбора и применения ЭКБ иност-
ранного производства. Основной объем представленного материала касается про-
блем проектирования микросхем космического назначения – от выбора техноло-
гии изготовления до методов их проектирования с учетом особенностей глубокого
субмикрона.
Для достижения этой цели материал книги представлен в виде 20-ти глав.
В первой главе в сжатом виде представлены основные направления и тенден-
ции развития космической техники и технологии, приводится классификация кос-
мических аппаратов, дается краткое описание их устройства, принципов органи-
зации и функционирования основных электронных бортовых систем управления,
ибо именно исходя из требований к функциональным возможностям и техничес-
ким характеристикам этих систем формулируются требования к их ЭКБ. Более
подробно рассмотрены космические аппараты дистанционного зондирования
Земли, поскольку в одной из последующих глав рассмотрены практические при-
меры проектирования для них специализированных ПЗС – микросборок.
Здесь же кратко рассмотрены основные механизмы воздействия на КА фак-
торов космического пространства (радиации, микрометеоритов и др.).
В последнем параграфе главы рассмотрены основные направления развития
новых направлений в космическом приборостроении – применение МЭМС-тех-
нологий для создания миниатюрных (размерами со спичечный коробок) реак-
тивных двигателей космического назначения.
Вторая глава посвящена общим проблемам обеспечения безопасности ракет-
но-космической техники, систематизации и анализу основных причин катаст-
роф, аварий, отказов ракетоносителей и КЛА. Приводятся обобщенные по от-
крытым источникам информации статистические данные по изменению харак-
тера и причин отказов на основных этапах развития космической техники, пока-
зана роль надежности используемой ЭКБ в решении задачи снижения рисков
отказов, формулируются основные требования к количественным показателям
надежности и долговечности ЭКБ КН.
Отдельно здесь рассмотрены специальные методы обеспечения надежности
бортовой аппаратуры КА длительного функционирования.
Третья глава посвящена общим вопросам выбора микроэлектронной ЭКБ для
устройств ракетно-космической техники. Рассмотрена типовая структура контрол-
лера бортовой электронной системы управления КА, даны конкретные примеры
использования процессоров и микроконтроллеров в электронных системах уп-
равления иностранными КА,
Детально рассмотрены основные технические характеристики и функциональ-
ные особенности почти всех известных отечественных микроконтроллеров двой-
ного и специального назначения, а также важные для практического применения
особенности проектирования и организации производства микросхем для кос-
мических применений.
При рассмотрении последнего вопроса большое внимание уделено особеннос-
тям использования фаблес – модели, когда оригинальная микросхема проектиру-
ется отечественным дизайн-центром под требования конкретного заказчика – раз-
работчика РЭА космического или специального применения, а затем изготавлива-
ется на одной из зарубежных микроэлектронных фабрик, отдельный параграф гла-
вы посвящен важным для инженера-дизайнера особенностям выбора конкретного
конструктивно-технологического базиса (типа технологии, минимальных проект-
ных норм уровня глубокого субмикрона) для проектирования микросхем косми-
ческого назначения.
Система электроэнергообеспечения современных космических аппаратов во
многом определяет их конечные тактико-технические характеристики, поэтому
здесь детально рассмотрены состав и технические характеристики соответствую-
щей отечественной ЭКБ для систем электрообеспечения.
Для стремительно развивающегося в РФ космического направления – спут-
ников и специальной аппаратуры дистанционного зондирования Земли – пред-
ставлено описание соответствующей ЭКБ, рассмотрены функциональные возмож-
ности, технические характеристики и особенности применения.
Поскольку воздействие ионизирующих излучений космического пространства
является одним из главных факторов, ограничивающих сроки активного суще-
ствования КА и приводящих к отказам и сбоям в работе бортовой РЭА (примерно
в 30% случаев отказов функционирования их причиной является воздействие ра-
диации), отдельный параграф целиком посвящен общим вопросам обеспечения
стойкости бортовой РЭА к ионизирующим излучениям.
В частности, рассмотрены вопросы формирования соответствующих требо-
ваний и определения локальных радиационных условий на борту КА, особеннос-
ти методик оценки радиационной стойкости бортовой РЭА, а также рекоменда-
ции по повышению эффективности использования элементов радиационной за-
щиты от воздействия тяжелых заряженных частиц, основные нормативные мето-
дики оценки радиационной стойкости бортовой РЭА.
Поскольку, кроме микросхем, при построении РЭА КН широко используют-
ся и дискретные полупроводниковые приборы, в конце главы рассмотрена но-
менклатура силовых полупроводниковых приборов КН (мощные полевые тран-
зисторы, диоды, IGBT-модули и др.).
Четвертая глава посвящена особенностям выбора и применения в составе
отечественных космических аппаратов ЭКБ иностранных производителей. Рас-
смотрены общие проблемы и подходы к выбору такой ЭКБ. Отдельно анализиру-
ются нормативные документы США и Евросоюза, ограничивающие экспорт в
Россию этих компонентов, рассмотрены пути и механизмы решения сопутствую-
щих проблем.
Поскольку приобретение иностранной ЭКБ категории Space обычно пред-
ставляет собой достаточно сложную задачу, на практике для проектирования РЭА
КН широко используют иностранную ЭКБ категории Industry (промышленного
назначения). Детально рассмотрены особенности применения этих изделий в ра-
кетно-космической технике, приводится перечень обязательных мероприятий,
которые должен выполнить разработчик РЭА перед тем, как поставить эти образ-
цы в электронные блоки проектируемой РЭА КН. Отдельный параграф посвя-
щен проблемным особенностям выбора иностранной ЭКБ для РЭА стратегичес-
ки значимых отечественных объектов.
Одной из важнейших проблем комплектации РЭА КН импортными микро-
электронными изделиями является проблема так называемого «контрафакта».
Причем эта проблема не только для российских разработчиков, она носит гло-
бальный характер – известно много случаев, когда даже в электронные системы
подводных лодок, боевых самолетов США и стран НАТО, космической аппарату-
ры НАСА и Европейского космического агентства попадали контрафактные (под-
дельные, клонированные) микросхемы низкого качества китайского производ-
ства (в Китае налажено массовое производство таких изделий).
В последние годы все больше контрафактных изделий выявляется и российс-
кими специалистами, а в ряде случаев однозначно установлена их ответственность
за отказы РКТ.
Дана следующая классификация контрафактных изделий: пиратская версия
(клон), компонент не соответствует стандартам изготовления оригинального изде-
лия; компонент не изготовлен сертифицированным на то производителем; компо-
нент является дефектным или ранее бывшим в употреблении, но поставленным
под видом новых компонентов; компонент имеет некорректную (или поддель-
ную) маркировку и сопроводительную документацию. В итоге контрафактную
продукцию можно отнести к следующим более частным категориям: повторно
используемые, перемаркированные, дефектные (бракованные), незаконно (на-
пример, сверх договорного объема) произведенные, клонированные, незаконно
измененные (восстановленные) изделия, а также компоненты с поддельной до-
кументацией.
Для каждой из этих категорий рассмотрены эффективные методы их выявле-
ния. Подробно описан один из таких эффективных методов – специальный ком-
плекс электрических и температурных испытаний с конкретными примерами из
практики анализа. Рассмотрены особенности выбора и применения в отечествен-
ных космических аппаратах иностранных процессоров и микроконтроллеров,
необходимых для построения высокопроизводительных и надежных бортовых
цифровых вычислительных комплексов (БЦВК) – как для систем полезной на-
грузки, так и для платформы космических аппаратов. Детально проанализирован
наиболее широко используемый с 2009 г. в космической отрасли США и стран ЕС
разработанный компанией Aeroflex процессорный комплект Leon 3FT (микро-
процессоры UT699 и GR712): варианты использования, квалификационные ха-
рактеристики, архитектурные и аппаратные особенности, особенности програм-
мирования и пр.
Отдельный параграф посвящен иностранным радиационно-стойким преоб-
разователям постоянного тока для космических и военных применений, объем
импорта которых в Россию за последние 5 лет увеличился на порядок. Как извес-
тно, система электропитания любого спутникового оборудования должна быть
адаптирована к высокой тактовой частоте работы и быстрому изменению нагруз-
ки на шине питания. Показано, что для этого требуется, чтобы эти DC/DC пре-
образователи и стабилизаторы обладали переходными характеристиками на уровне
не ниже десяти ампер на микросекунду при изменении нагрузки в полном диапа-
зоне, при этом максимальное отклонение величины выходного напряжения не
должно превышать ±5%, ибо любое превышение предельно допустимого напря-
жения питания процессора или ПЛИС при таком изменении нагрузки может при-
вести к мгновенному (или скрытому) отказу микросхемы бортовой РЭА.
Здесь же представлены основные результаты обобщения мирового опыта орга-
низации работ по созданию электронных компонентов для бортовой аппаратуры
космических аппаратов, поскольку специфика ЭКБ КН заключается в том, что ее
развитие идет своим путем, отличным от развития электроники общепромыш-
ленной, ориентированной на выпуск массовой продукции с коротким жизнен-
ным циклом и быстрой сменяемостью типов изделий.
Представлены особенности организации работ по развитию ЭКБ КН в США,
где этим занимаются параллельно три ведомства – министерства обороны и энер-
гетики, НАСА, а также в Европе, Японии и Китае.
В пятой главе рассмотрены основные направления решения одной из наибо-
лее актуальных проблем космической микроэлектроники – снижение энергопот-
ребления микроэлектронных устройств космического назначения. Актуальность
проблемы обусловлена тем очевидным фактом, что функциональные возможно-
сти и производительность бортовой РЭА неуклонно увеличиваются, а закон со-
хранения энергии никто еще не отменил. Если за каждый килограмм (тонну) по-
лезной нагрузки конструкторам ракетно-комической техники приходится пла-
тить сокращением «избыточных» функций, то для обеспечения минимизации
энергопотребления электронных блоков приходится использовать самые различ-
ные методы и способы, основанные на использовании как особенностей собствен-
но микроэлектронных технологий изготовления ЭКБ, так и целого спектра ори-
гинальных конструктивно-схемотехнических методов. Пятая глава как раз и по-
священа описанию основных из этих методов.
В начале главы рассмотрены основные механизмы рассеивания мощности в
наиболее широко используемых в КА КМОП-микросхемах, физические, схемотех-
нические, технологические и системотехнические (архитектурные) ограничения,
которые надо знать и учитывать разработчиками и потребителям микросхем кос-
мического применения. Особое внимание в этой главе уделено интерфейсным мик-
росхемам, которые позволяют обеспечивать совместное функционирование в со-
ставе бортовой системы самых различных функциональных блоков, узлов и эле-
ментов систем как единичного целого, организовать взаимодействие различных
электронных бортовых систем КА между собой, обеспечить быстрый и надежный
информационный обмен как между этими «внутренними» системами, так и с «вне-
шними» устройствами. Без так называемого «развитого интерфейса» невозможна
эффективная эксплуатация самых современных вычислительных и управляющих
бортовых систем КА. Важнейшими элементами интерфейса являются специаль-
ные микросхемы, используемые для построения интерфейсных каналов, которые
имеют множество разновидностей, отличающихся функциональными возможнос-
тями, схемотехническими и конструктивно-технологическими решениями, систе-
мой электрических параметров и особенностями применения. Единственное, что
их объединяет, – проблема минимизации их энергопотребления при работе в со-
ставе бортовых систем РЭА КН, а также условия работы (высокий уровень вне-
шних помех, высокие значения переключаемых (коммутируемых) и нагрузочных
токов, экстремальные электрические нагрузки, работа в условиях радиационных и
механических воздействий. Особенности проектирования и применения интерфей-
сных микросхем предыдущего поколения достаточно подробно были изложены в
работе А.И. Белоуса, О.Е. Блинкова «Биполярные микросхемы для интерфейсов
систем автоматического управления (Ленинград, «Машиностроение», 1990 г., 272 с.),
на которую в главе даются соответствующие ссылки.
Однако новому поколению интерфейсных микросхем присущи и новые про-
блемы, и новые методы их разрешения, поэтому здесь основное внимание чита-
телей сконцентрировано на особенностях организации режимов понижения энер-
гопотребления в современных интерфейсных микросхемах преимущественно с
последовательной (а не параллельной) передачей данных. Рассмотрены наиболее
часто используемые разработчиками бортовой РЭА микросхемы приемо-передат-
чиков пониженного энергопотребления типа RS-232 и RS-485, приведены конст-
руктивно-схемотехнические особенности их проектирования, дан развернутый
пример проектирования конкретной схемы электрического блока передатчика,
источника температуронезависимого опорного напряжения и др.
Основные конструктивно-схемотехнические особенности проектирования
ИМС КН с пониженным напряжением питания детально рассмотрены в рамках
отдельного параграфа.
Учитывая широкое использование в интерфейсных (и не только) микросхе-
мах элементов памяти (Embedded memory – встроенная память), последний па-
раграф этой главы посвящен детальному анализу схемотехнических особеннос-
тей организации и применения наиболее часто используемых типов базовых эле-
ментов (ячеек) памяти – различного вида триггеров D-типа.
Учитывая повышенный уровень различного рода помех, генерируемых на борту
эксплуатируемого космического аппарата (орбитальной станции, навигационного
спутника, межпланетного космического аппарата), в эту главу включен специ-
альный параграф, посвященный детальному анализу как самих источников воз-
никающих помех, так и конструктивно-схемотехническим методам их подавле-
ния на ранних этапах – проектирования как собственных заказных микросхем,
так и на этапах их последующего применения в составе бортовой РЭА КН.
Шестая глава посвящена особенностям технологического процесса изготов-
ления и базовым конструкциям современных транзисторов и диодов Шоттки,
предназначенных для использования при проектировании и изготовлении мик-
росхем и полупроводниковых приборов космической микроэлектроники.
Эта глава необходима для понимания современных тенденций и перспектив
развития современной микроэлектроники, которая развивается в направлении
так называемого «глубокого субмикрона». На первый план здесь выходит пробле-
ма масштабирования геометрических размеров интегральных микросхем – умень-
шение линейных (горизонтальных) и вертикальных (параметров активной струк-
туры базового транзистора) размеров вызвала к жизни совершенно новые, ранее
неизвестные физические механизмы отказов этого нового поколения микроэлек-
тронных изделий.
Поэтому здесь детально рассмотрены особенности технологий изготовления и
формируемые этими технологиями конструкции субмикронных МОП-транзисто-
ров. Представлен общий анализ этих конструкций, дано описание наиболее часто
используемых в практической деятельности инженеров-разработчиков БИС мето-
дов улучшения рабочих характеристик МОП-транзисторов для проектных норм 90,
65, 45 нм и менее, отдельно рассмотрены особенности, достоинства и основные
недостатки МОП-транзисторов со структурой «кремний на изоляторе» (КНИ), осо-
бенности транзисторов с двойным, тройным, и так называемым «цилиндрическим
затвором», а также другие используемые в БИС КН типы транзисторных структур.
В рамках отдельного параграфа рассмотрены особенности использования в составе
БИС КН специальных конструкций транзисторов для аналоговых применений.
Также отдельный параграф главы посвящен конструктивно-технологическим
особенностям изготовления и использования в составе микроэлектронных уст-
ройств высокотемпературных диодов Шоттки – представлены более пятидесяти
вариантов их конструкций с соответствующими комментариями в зависимости
от решаемых ими задач в составе конкретных микросхем и дискретных полупро-
водниковых приборов космического назначения.
Седьмая глава посвящена теоретическому и экспериментальному анализу осо-
бенностей воздействия ионизирующих излучений космического пространства на
субмикронные интегральные микросхемы и дискретные полупроводниковые при-
боры. Если физические механизмы воздействия радиации на «досубмикронные»
микросхемы были достаточно хорошо изучены и представлены в многочисленных
открытых отечественных и зарубежных изданиях, то при использовании субмик-
ронных проектных норм образовался определенный «информационный вакуум» –
в различных литературных источниках часто публиковалась прямо противополож-
ная информация, вплоть до того что субмикронные микросхемы вообще нельзя
использовать в космической аппаратуре из-за якобы их низкой стойкости к иони-
зирующим излучениям открытого космического пространства.
Во многом это объясняется жесткой конкурентной борьбой на рынке изгото-
вителей БИС КН, а также чисто экономическими факторами – разработка суб-
микронной технологии требует вложения уже не сотен тысяч долларов, а сотен
миллионов для уровня 90 нм и достигает нескольких миллиардов долларов для
уровня 45 нм и менее.
К сожалению, на основании подобной дезинформации были приняты и оп-
ределенные решения лидерами отечественной ракетно-технической отрасли, от-
ветственными за принятие решений в области использования ЭКБ для косми-
ческого аппаратостроения.
Поэтому в данной главе детально рассмотрены конкретные особенности и
физические механизмы воздействия радиации на субмикронные БИС (КМОП,
биполярные, цифровые, аналоговые, схемы памяти), а также представлены основ-
ные методы обеспечения их радиационной стойкости, включая рекомендации по
составу тестовых приборов, элементов для экспериментальных исследований вли-
яния радиационных воздействий на характеристики кремниевых микросхем, ре-
комендации по используемому оборудованию и методикам облучения образцов,
методикам их измерений после радиационной обработки.
Достоинством материалов этой главы является то, что в отличие от различного
рода утверждений о «стойкости» или «нестойкости» базовых конструкций субмик-
ронной БИС в десяти параграфах главы представлены конкретные результаты экс-
периментальных исследований (преимущественно отечественных, в том числе ав-
торских, а также авторитетных зарубежных исследователей) о воздействии разного
рода излучений на характеристики различных микроэлектронных приборов.
Так, представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований
воздействия гамма-излучения на параметры субмикронных МОП-транзисторов,
МОП-конденсаторов, ячеек памяти на МОП-транзисторах, логических МОП
ИМС, КМОП ОЗУ, ПЗУ, БиКМОП БИС, МОП/КНИ структур и БИС ОЗУ на их
основе.
Принимая во внимание объективные технические и финансовые проблемы
разработчиков РЭА КН в отношении возможности проведения натурных испы-
таний (полигон в Семипалатинске во времена СССР эти проблемы закрывал), в
последнем параграфе этой главы приводятся описания особенностей примене-
ния и физические обоснования целесообразности применения адекватных ими-
тационных методов исследований радиационных эффектов и методов прогнози-
рования на их основе радиационной стойкости КМОП и БиКМОП-микросхем.
Здесь же представлены конкретные и только апробированные в отечествен-
ной и зарубежной практике методы повышения устойчивости различных классов
БИС к воздействию факторов проникающей радиации (гамма, альфа, бета излу-
чениям, тяжелым заряженным частицам, протонам, нейтронам и другим видам
ионизирующих излучений). Детально описаны методики облучения, методики
измерений электрических параметров тестовых структур и образцов типовых пред-
ставителей основных классов ИМС, состав и особенности используемого при этом
оборудования, технической оснастки и специальных программных обеспечений.
Следующая, восьмая глава целиком посвящена описанию апробированных рас-
четно-экспериментальных методов прогнозирования и расчета уровней радиаци-
онной стойкости как